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科研成果
謝心澄課題組及合作者對半磁性拓撲絕緣體中關于半量子化霍爾電導輸運理論的研究取得重要進展
發布日期:2022-09-02 浏覽次數:
  供稿:谢心澄  |   编校:孙祎   |   编辑:曲音璇   |   审核:冯济

最近,北京大学物理学院量子材料科學中心谢心澄课题组与合作者提出了一种基于半磁性拓扑绝缘体的半量子化霍尔电导的输运理论。相关研究成果以“半磁性拓扑绝缘体中半量子化霍尔电导的输运理论” (Transport Theory of Half-quantized Hall Conductance in a Semimagnetic Topological Insulator) 为题在线发表于《物理评论快报》 (Physical Review Letters)。

宏觀量子現象如分數量子霍爾效應和整數量子霍爾效應等,是一種在宏觀尺度上呈現出的整體量子現象。分數量子霍爾效應的准粒子激發具有分數化電荷,而無相互作用體系(例如整數量子霍爾效應)的量子化現象一般由整數個量子數描述。盡管如此,二維狄拉克費米子作爲一種相對論粒子,由于宇稱反常,它的霍爾電導是半整數量子化的。另一方面,在實際材料中狄拉克錐總是成對出現,宇稱反常相互抵消。因此,如何在實際體系中直接探測到半整數量子化霍爾電導,不論在實驗上還是在理論上一直是非常困難的。

謝心澄課題組與合作者從半磁性拓撲絕緣體異質結實驗體系出發,他們系統地研究了半磁性拓撲絕緣體表面狄拉克錐的輸運性質,揭示退相幹強度對實現半量子化霍爾電導的重要性。他們發現有能隙的狄拉克表面邊界存在一個一維半量子化的手性通道,並導致了半整數量子化的霍爾電導,而無能隙的狄拉克表面貢獻了有限縱向電導。這些結果超越了量子化霍爾電導一般只存在于絕緣相的傳統認知,因此超出了傳統量子化輸運的範式。此外,他們給出了電導和電阻隨溫度變化規律,並與實驗結果一致(Nature Physics, 2022, 18(4): 390-394.)

图 (a) 霍尔电导随退相干强度Гv变化曲线;图 (b) Td空間分布,Td用于描述半量子化手性通道;图 (c) 和 (d),霍尔电导和纵向电导随温度变化曲线

北京大学物理学院量子材料科學中心博士生周湖棉为第一作者,苏州大学物理科学与技术学院陈垂针特聘教授和谢心澄教授为共同通讯作者。其他合作者包括北京大学物理学院量子材料科學中心博士後李海龙和孙庆丰教授以及重庆大学物理学院许东辉副教授。

上述研究工作得到國家重點研發計劃、國家基礎研究計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項、中國科學院戰略性先導科技專項、北京市科學技術委員會和江蘇省高等學校重點學科建設項目的支持。

文鏈接:https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.096601